nuklearna fizika

ilustracija
NUKLEARNA FIZIKA, odnos energije vezanja po nukleonu (B/A) i masenoga broja (A)

nuklearna fizika, grana fizike koja proučava građu atomske jezgre i s njom povezane procese: fisiju, fuziju, nuklearne reakcije, nukleosintezu, radioaktivnost, transmutacije i dr. Glavni je istraživački alat nuklearne fizike akcelerator čestica koji omogućuje usmjeravanje brzih čestica, npr. protona ili elektrona, na odabrane mete i promatranje i analiziranje rezultata sudara, npr. prepoznavanje nastalih čestica, mjerenje energija i analiziranje smjerova raspršenja. Spoznaje nuklearne fizike primjenjuju se u različitim područjima: nuklearnoj astrofizici, nuklearnoj medicini, pri uporabi nuklearne magnetske rezonancije, nuklearnih elektrana, nuklearnoga oružja, za otkrivanje novih transuranijskih elemenata, radioaktivno datiranje i dr. Iz nuklearne fizike razvila se fizika elementarnih čestica.

Osnovne veličine

Atomski broj je broj protona u atomskoj jezgri, određuje svojstva atoma.

Neutronski broj je broj neutrona u atomskoj jezgri. Može biti različit u jezgrama istoga kemijskog elementa (takve se jezgre nazivaju izotopnima).

Maseni broj je ukupan broj protona i neutrona (nukleona) u atomskoj jezgri.

Defekt mase je razlika između zbroja masa slobodnih nukleona od kojih se jezgra sastoji i mase jezgre, odgovara ekvivalentnoj energiji vezanja nukleona.

Energija vezanja po nukleonu razlikuje se od jezgre do jezgre i određuje krivulju stabilnosti ovisno o masenome broju elementa (prema energiji vezanja po nukleonu mogu se predvidjeti fuzijski procesi na malim vrijednostima i fisijski na velikim vrijednostima masenoga broja). Energija Sunčeva zračenja oslobađa se u efektivnoj pretvorbi četiriju protona u jezgru helija (fuzijom kilograma vodika u nešto manje od kilograma helija oslobađa se energija od 6 · 1014 J).

Konstanta raspada opisuje brzinu raspadanja atomskih jezgara ili subatomskih čestica u nekom uzorku radioaktivne tvari.

Vrijeme poluraspada je vrijeme potrebno da se raspadne polovica nestabilnih atomskih jezgara ili subatomskih čestica u nekom uzorku radioaktivne tvari.

Povijest razvoja

Početkom nuklearne fizike smatraju se pokusi Ernesta Rutherforda i Hansa Geigera izvedeni 1911. Promatranjem raspršenja alfa-zračenja na listićima zlata, Rutherford je zaključio da u atomima mora postojati središnja sitna jezgra pozitivnoga naboja, u kojoj je koncentrirana masa atoma. James Chadwick je otkrio neutron (1932) i postalo je jasno da se atomska jezgra sastoji od protona i neutrona. Enrico Fermi je teorijski objasnio beta-zračenje (1933) i uskoro je otkriveno slabo međudjelovanje. Na temelju kratkoga dosega (10–15 m) jake nuklearne sile, Hideki Yukawa predvidio je (1935) masivne čestice, mezone, kao njezine prijenosnike. Lise Meitner i Otto Hahn protumačili su fisiju (1939) i od tada počinje nagli razvoj nuklearne fizike radi izradbe nuklearnoga oružja (→ projekt manhattan) i nuklearnih reaktora.

Modeli atomske jezgre

Model kapljice opisuje atomsku jezgru kao kap nestlačivoga nuklearnoga fluida velike gustoće. Predložio ga je George Gamow (1931), a razvio Niels Bohr. Analogan je modelu kapljice tekućine koju čine molekule. Stabilnost atomske jezgre ovisi o obliku kapi, a energija proizlazi od površinske napetosti i električnog odbijanja među protonima. Model objašnjava kuglasti oblik većine jezgri i pomaže predvidjeti energiju nuklearnog vezivanja. Tako su Hans Albrecht Bethe i Carl Friedrich von Weizsäcker na temelju modela kapljice tekućine (1935) izračunali energiju vezanja nukleona i objasnili fuziju atomskih jezgri u zvijezdama.

Model ljusaka opisuje jezgru atoma kao da je izgrađena od međusobno neovisnih ljusaka protona i neutrona djelomično analognih ljuskama koje opisuju raspored elektrona u atomu. Razvila ga je Maria Goeppert-Mayer (1949). Stabilnost jezgre ovisi o broju nukleona, a najstabilnije su jezgre punih ljusaka koje imaju magični broj protona i neutrona. One su i sferno simetrične. Nuklearna deformacija u modelu ljusaka je odstupanje jezgre od sferične ili osne simetrije; povezana je s kolektivnim gibanjima nukleona. Ona dovodi do pobuđenja valentnih nukleona, ali i do dinamičkih deformacija (vibracija) te statičkih deformacija (rotacija). Za razvoj modela deformiranih jezgri zaslužni su Gaja Alaga te Aage Niels Bohr, Ben Roy Mottelson i James Rainwater.

Kromodinamički model atomske jezgre u kvantnoj kromodinamici je nakupina nukleona povezanih jakom nuklearnom silom zaostalom od jakog međudjelovanja među kvarkovima unutar pojedinih nukleona. Jaka nuklearna sila ne ovisi o električnome naboju nukleona, tj. iste je jakosti između bilo koja dva nukleona (protona i protona, neutrona i neutrona ili protona i neutrona).

nuklearna fizika. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 20.10.2019. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=44376>.